(西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院,陜西 西安 710124)
目前,工業(yè)控制對象已從單一個體變?yōu)槎鄠€個體,其普遍特點(diǎn)為目標(biāo)分布范圍較廣、范圍跨度較大、基礎(chǔ)參數(shù)變化較快、電子工程領(lǐng)域較為復(fù)雜等,因此,電子領(lǐng)域要求數(shù)據(jù)采集的裝置具有精準(zhǔn)度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)采集廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)軟硬件、分布式結(jié)構(gòu)、信息信號轉(zhuǎn)換等處理過程之中,集傳感、采集技術(shù)于一體,是獲取信息的重要工具。將不同分布中異構(gòu)數(shù)據(jù)應(yīng)用在不同硬件系統(tǒng)平臺上,對其進(jìn)行處理,按照安全有效方式提供給使用者,成為了現(xiàn)階段急需解決的主要問題[1]。采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制方法主要是以單片機(jī)和主機(jī)為主,該方式在數(shù)據(jù)運(yùn)算方面能力較差,無法保證系統(tǒng)在無時延影響下對數(shù)據(jù)采集進(jìn)行高效控制,因此,為了能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時數(shù)據(jù)采集方式,提出了一種分布式網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)采集智能控制方法。結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制方式的網(wǎng)絡(luò)化,構(gòu)成符合時代要求的信息化控制機(jī)制,通過對網(wǎng)絡(luò)化控制體系結(jié)構(gòu)的分析,最終達(dá)到管控一體化目標(biāo)。
設(shè)計(jì)分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制實(shí)施方案,就是將分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處理環(huán)境中的通用性和可擴(kuò)展性結(jié)合在一起,并能正常在高機(jī)密數(shù)據(jù)采集過程中進(jìn)行控制,使得技術(shù)控制效果較好[2]。因此,為了實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的通用性和可擴(kuò)展性,需以控制設(shè)備為基礎(chǔ)框架,實(shí)現(xiàn)海量高機(jī)密數(shù)據(jù)客戶端的控制,通過管理不同分布式服務(wù)器來完成對客戶機(jī)與服務(wù)器的連接,由此實(shí)現(xiàn)在兩層模式下對分布式網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)采集的智能控制,提供設(shè)備應(yīng)用的可擴(kuò)展的空間[3]。因此,設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化控制體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 網(wǎng)絡(luò)化控制體系結(jié)構(gòu)
由圖1可知:該結(jié)構(gòu)主要包括4個層次,分別是數(shù)據(jù)采集層、控制層、通信層和應(yīng)用層。其中數(shù)據(jù)采集層是通過不同測控設(shè)備來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集;控制層是對網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)庫中實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行存取,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合控制;通信層主要是由中間件組成的,通過信息傳輸以及接口處理來實(shí)現(xiàn)不同儀器設(shè)備之間良好兼容性,通過對設(shè)備外部進(jìn)行加工,可獲取返回的信息狀態(tài),將良好狀態(tài)信息傳送到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存;應(yīng)用層是分布式網(wǎng)絡(luò)化控制結(jié)構(gòu)中的最外層基礎(chǔ)應(yīng)用,通過對中間層采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的智能控制。針對不同控制設(shè)備的管理,需根據(jù)在整個網(wǎng)絡(luò)中的分布情況逐一分析,將需要控制的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心,并由數(shù)據(jù)處理中心對需要控制的信息進(jìn)行分析與處理,經(jīng)過雙向交互通信方式,保證多個控制設(shè)備之間能實(shí)現(xiàn)協(xié)同合作,以控制數(shù)據(jù)采集綜合能力為目的,完成對整個網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)采集智能控制方法研究[4]。
將LPC2292型號控制器的引腳功能配置為GPIO的總線擴(kuò)展器,方向?yàn)檩斎敕较?,主要用來控制不同電路開關(guān)量,開關(guān)量的狀態(tài)是通過LPC2292型號控制器的內(nèi)部寄存器OOPIN獲得的[5]。將LPC2292型號控制器的引腳作為輸入功能的基礎(chǔ)配置,利用反復(fù)循環(huán)方式對不同控制量進(jìn)行采集,網(wǎng)絡(luò)化控制體系結(jié)構(gòu)中的程序執(zhí)行過程為:啟動程序,讀取系統(tǒng)文件,定義傳輸數(shù)據(jù)的出入口地址,保證數(shù)據(jù)可以公平分配,設(shè)置向量控制準(zhǔn)則,完成網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的協(xié)議加載,啟動看門狗電路,讀取GPS精準(zhǔn)時鐘數(shù)據(jù),設(shè)置通信通道,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效采集[6]。具體流程如下所示:
讀取系統(tǒng)配置文件INI,初始化I/O設(shè)備及看門狗電路,配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,啟動看門狗電路,讀取GPS時鐘數(shù)據(jù),設(shè)置采樣間隔及通信通道,數(shù)據(jù)打包并發(fā)送數(shù)據(jù)報文到LCD。查看看門狗是否中斷,若中斷則需重新啟動采樣;若沒有中斷,則需剔除該部分采集到的數(shù)據(jù),重新設(shè)置采樣時鐘,返回到讀取系統(tǒng)配置文件步驟。
將上述采集到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中,提取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合控制。采用FRGA的處理器,通過靜態(tài)存儲控制器發(fā)送的信號,控制外部存儲設(shè)備完成讀寫操作[7]?,F(xiàn)場可編程門陣列字符型設(shè)備驅(qū)動程序可完成數(shù)據(jù)的采集,配置主處理器ARM可實(shí)現(xiàn)FRGA總線驅(qū)動的控制,按照ARM靜態(tài)存儲控制機(jī)制完成時序的讀寫。
根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù),對控制芯片配置寫入與讀出數(shù)據(jù),其中寫入數(shù)據(jù)是以頁數(shù)為基本單位而實(shí)現(xiàn)的具有周期性動作,寫入與讀出的指令時序圖如圖2所示。
圖2 讀、寫操作時序圖
由圖2可知:當(dāng)發(fā)送操作指令時,需設(shè)定固定頁碼地址,寫入跳變結(jié)果,將不同字節(jié)從高到低依次寫入,組成固定比特數(shù)據(jù)的單詞。在信號接口處,以離散地址信號形式組合成數(shù)據(jù)實(shí)際值,通過讀出操作時序?qū)?shù)據(jù)讀出[8]。在指定數(shù)據(jù)地址讀取過程中,需先發(fā)送數(shù)據(jù)地址,將離散電平拉高,封鎖信道相應(yīng)存儲器之中,并保證高電平禁止數(shù)據(jù)寫入其中,在連續(xù)周期內(nèi)賦予實(shí)際數(shù)值,將對應(yīng)數(shù)據(jù)全部返回到離散地址信號線中[9]。
ARM靜態(tài)存儲控制配置是通過函數(shù)靜態(tài)內(nèi)聯(lián)空隙AT91Sysx寫入 static inline void at91_sys_write實(shí)現(xiàn)的, 根據(jù)靜態(tài)存儲控制配置情況,設(shè)置FPGA現(xiàn)場可編程門陣列字符設(shè)備驅(qū)動程序,并對其進(jìn)行初始化處理,其余的則由file_operation驅(qū)動函數(shù)來編寫結(jié)構(gòu)。其中最為重要的是內(nèi)核函數(shù)static ssize_tfpga_arm_read,對應(yīng)的應(yīng)用層函數(shù)為read。從FPGA中讀取驅(qū)動程序需要的數(shù)據(jù),完成對內(nèi)存映射I/O空間的讀取,使復(fù)制數(shù)據(jù)快速從內(nèi)核位置到用戶位置,實(shí)現(xiàn)對高機(jī)密數(shù)據(jù)采集的智能控制[10]。
時延主要出現(xiàn)在主-從時鐘之間的信息采集過程,由從時鐘發(fā)送一個延時信息請求數(shù)據(jù)包給主時鐘,不像同步數(shù)據(jù)包是以2 m為周期發(fā)送的信息數(shù)據(jù)包,而是以延時請求數(shù)據(jù)包在對延時出現(xiàn)的時候才發(fā)出,具體過程如圖3所示。
圖3 數(shù)據(jù)包發(fā)送情況
從時鐘發(fā)送數(shù)據(jù)包出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延遲時,需及時記錄當(dāng)下延遲時間,計(jì)算由從時鐘到主時鐘數(shù)據(jù)包傳送的時間,并發(fā)出延時請求數(shù)據(jù)包,在發(fā)射的同時記錄當(dāng)前時刻T1,當(dāng)主時鐘接收到延時請求數(shù)據(jù)包時,應(yīng)立即記錄時間為T2。因?yàn)樵趶臅r鐘處進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸延時計(jì)算時,需用到時間T2,所以需要從主時鐘向從時鐘發(fā)送一個延時請求響應(yīng)包。整個延時時間計(jì)算結(jié)果如下所示:
T=T1-T2
(1)
由于數(shù)據(jù)包之間的傳輸是具有對稱屬性的,主時鐘到從時鐘數(shù)據(jù)包的傳輸時間與從時鐘到主時鐘數(shù)據(jù)包的傳輸時間是一致的,因此,可計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸時延。當(dāng)從時鐘接收到時間標(biāo)T1后,可利用公式(2)來估計(jì)主-從時鐘之間的偏移誤差量offset,即為:
offset=T1-T0-delay
(2)
公式(2)中:T0為從時鐘接收同步數(shù)據(jù)包的時間;delay為主-從時鐘之間的延時誤差。
假設(shè)時間延時不會發(fā)生較大變化,因此,不需要測量偏移時間間隔,這就使得時間延時測量與偏移量之間是相互影響的,需要進(jìn)行多次計(jì)算才能使其精確到實(shí)際值,根據(jù)該值計(jì)算整體控制時間,保證分布式網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)采集不會受到延遲影響,而保持高精準(zhǔn)度控制效果。
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化控制體系結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)采集層、控制層、通信層和應(yīng)用層展開分析,依據(jù)不同測試設(shè)備在整個網(wǎng)絡(luò)中的分布情況,以控制數(shù)據(jù)采集綜合能力為目的,對數(shù)據(jù)采集和控制進(jìn)行研究。將LPC2292型號控制器的引腳功能配置為GPIO的總線擴(kuò)展器,以此設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集流程,將采集到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行綜合控制,按照ARM靜態(tài)存儲控制機(jī)制完成時序的讀寫。具體實(shí)現(xiàn)過程如下所示:
1)將控制程序分成三個部分,分別是數(shù)據(jù)采集模塊、控制讀寫模塊和總線通信模塊。其中總線通信模塊位于最頂層,數(shù)據(jù)采集模塊和控制讀寫模塊位于最底層,通過最底層模塊傳送上來的數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)字信號綜合處理。
2)對于數(shù)據(jù)采集模塊需控制并行的時鐘驅(qū)動ADC_CLK,在對其編寫過程中,需沿讀取采集的數(shù)據(jù)才是具有穩(wěn)定可靠屬性的,F(xiàn)PGA現(xiàn)場可編程門陣列對兩路是照片那個驅(qū)動采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,濾除50 Hz頻率干擾,方可將數(shù)據(jù)寫入存儲器之中。
3)控制讀寫模塊選用的信號CE相對較低,利用CY7C1021DV33型號的ARM靜態(tài)存儲器對讀操作時,應(yīng)注意OE信號,需先拉低再升高,沿著信號走向完成數(shù)據(jù)的寫入。
依據(jù)上述流程,實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)在無時延影響下的智能控制。
針對分布式網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)采集智能控制方法的研究進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制方法的有效性,進(jìn)而證明高機(jī)密數(shù)據(jù)采集的智能控制。
在實(shí)驗(yàn)過程中,模擬數(shù)據(jù)采集流程,對數(shù)據(jù)寫入與讀出兩部分進(jìn)行驗(yàn)證分析,通過在寫入端施加激勵,在讀出端處獲得響應(yīng)的方式,對比響應(yīng)結(jié)果與實(shí)際情況是否一致。因此,將傳統(tǒng)方法與智能控制方法對數(shù)據(jù)寫入與讀出情況進(jìn)行對比分析。
2.1.1 寫入
針對寫入信號的輸入,設(shè)[一]為離散數(shù)據(jù)鎖存,[二] 為離散地址信號采集,[三]為離散地址數(shù)據(jù)指令值的形成,該指令值在對應(yīng)時序中的00_00ss、00_0022和00_00s0。經(jīng)過激勵施加后的寫入數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值為:_1234, _0567,_89ss。由于傳統(tǒng)控制方法受到網(wǎng)絡(luò)時延影響,寫入數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差,導(dǎo)致控制效果較差,而智能控制方法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)時延時間,使寫入數(shù)據(jù)出現(xiàn)的誤差較小,具有良好控制效果。為了驗(yàn)證該點(diǎn),將這兩種方法進(jìn)行對比,寫入數(shù)據(jù)對比結(jié)果如下所示。
圖4 兩種方法寫入時序?qū)Ρ冉Y(jié)果
由圖4可知:施加激勵后,采用傳統(tǒng)方式獲取的寫入數(shù)據(jù)結(jié)果為:_0126, _5as6,_9sss;采用智能控制方法獲取的寫入數(shù)據(jù)結(jié)果為:_1234, _0567,_89ss。在時序?qū)Ρ葓D中,采用智能控制方法獲取的時序結(jié)果較為準(zhǔn)確,與標(biāo)準(zhǔn)值一致。
在該條件下,將傳統(tǒng)方法與智能控制方法對分布式網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)采集智能控制效果進(jìn)行對比,結(jié)果如圖5所示。
圖5 兩種方法控制效果對比
由圖5可知:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為0~15 ms時,傳統(tǒng)方法最高控制效果為48%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最高控制效果為95%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為15~30 ms時,傳統(tǒng)方法最高控制效果為47%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最高控制效果為94%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為30~45 ms時,傳統(tǒng)方法最高控制效果為56%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最高控制效果為98%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為45~60 ms時,傳統(tǒng)方法最高控制效果為70%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最高控制效果為90%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為60~75 ms時,傳統(tǒng)方法最高控制效果為78%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最高控制效果為96%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為75~90 ms時,傳統(tǒng)方法最高控制效果為70%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最高控制效果為98%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為90~105 ms時,傳統(tǒng)方法最高控制效果為68%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最高控制效果為88%。在寫入過程中,采用傳統(tǒng)方法控制效果較差,而采用數(shù)據(jù)采集智能控制方法的控制效果較好。
2.1.2 讀出
讀出操作驗(yàn)證與寫入操作驗(yàn)證基本一致,設(shè)[一]、[二]、[三]分別為離散數(shù)據(jù)鎖存、離散地址信號采集和離散地址數(shù)據(jù)指令值的形成。經(jīng)過激勵施加后的寫入數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值為:XX_2589, XX _3670,XX _2481,XX _552s。同樣將傳統(tǒng)方法與智能控制方法進(jìn)行對比,讀出數(shù)據(jù)對比結(jié)果如下所示。
圖6 兩種方法讀出時序?qū)Ρ冉Y(jié)果
由圖6可知:施加激勵后,采用傳統(tǒng)方式獲取的寫入數(shù)據(jù)結(jié)果為:XX_8439, XX _6438,XX _7524,XX _a1fe;采用智能控制方法獲取的寫入數(shù)據(jù)結(jié)果為:XX_2589, XX _3670,XX _2481,XX _552s。在時序?qū)Ρ葓D中,采用智能控制方法獲取的時序結(jié)果較為準(zhǔn)確,與標(biāo)準(zhǔn)值一致。
在該條件下,將傳統(tǒng)方法與智能控制方法對分布式網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)采集智能控制效果進(jìn)行對比,結(jié)果如圖7所示。
圖7 兩種方法控制效果對比
由圖7可知:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為0~15 ms時,傳統(tǒng)方法最低控制效果為20%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最低控制效果為50%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為15~30 ms時,傳統(tǒng)方法最低控制效果為18%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最低控制效果為48%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為30~45 ms時,傳統(tǒng)方法最低控制效果為17%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最低控制效果為38%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為45~60 ms時,傳統(tǒng)方法最低控制效果為19%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最低控制效果為32%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為60~75 ms時,傳統(tǒng)方法最低控制效果為21%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最低控制效果為52%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為75~90 ms時,傳統(tǒng)方法最低控制效果為19%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最低控制效果為57%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為90~105 ms時,傳統(tǒng)方法最低控制效果為20%,數(shù)據(jù)采集智能控制方法最低控制效果為53%。在寫入過程中,采用傳統(tǒng)方法控制效果較差,而采用數(shù)據(jù)采集智能控制方法的控制效果較好。
①在寫入過程中:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為0~15 ms時,智能控制方法比傳統(tǒng)方法控制效果高出47%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為15~30 ms時,智能控制方法比傳統(tǒng)方法控制效果高出47%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為30~45 ms時,智能控制方法比傳統(tǒng)方法控制效果高出42%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為45~60 ms時,智能控制方法比傳統(tǒng)方法控制效果高出20%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為60~75 ms時,智能控制方法比傳統(tǒng)方法控制效果高出18%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為75~90 ms時,智能控制方法比傳統(tǒng)方法控制效果高出28%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為90~105 ms時,智能控制方法比傳統(tǒng)方法控制效果高出20%。由此可知,在該過程中,采用智能控制方法最高控制效果較好,且最高可達(dá)98%。
②在讀出過程中:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為0~15 ms時,傳統(tǒng)方法比智能控制方法控制效果低30%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為15~30 ms時,傳統(tǒng)方法比智能控制方法控制效果低30%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為30~45 ms時,傳統(tǒng)方法比智能控制方法控制效果低21%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為45~60 ms時,傳統(tǒng)方法比智能控制方法控制效果低13%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為60~75 ms時,傳統(tǒng)方法比智能控制方法控制效果低31%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為75~90 ms時,傳統(tǒng)方法比智能控制方法控制效果低38%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延為90~105 ms時,傳統(tǒng)方法比智能控制方法控制效果低33%。由此可知,在該過程中,采用智能控制方法最低控制效果為32%。
綜上所述:分布式網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)采集智能控制方法的研究是具有有效性的,采用智能控制方法無論是寫入,還是讀出方面都比傳統(tǒng)方法控制效果要好。
結(jié)合ARM靜態(tài)存儲器和FPGA現(xiàn)場可編程門陣列兩者的優(yōu)點(diǎn),研究了分布式網(wǎng)絡(luò)高機(jī)密數(shù)據(jù)采集的智能控制,該方法具有良好時延計(jì)算性能,滿足實(shí)時性要求,在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時數(shù)據(jù)同步采集的控制理論方面具有一定意義,可大大提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步采集的能力。以分布式網(wǎng)絡(luò)為平臺,結(jié)合實(shí)際需求,利用四層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),分析不同層次實(shí)際應(yīng)用情況,消除網(wǎng)絡(luò)時延的不確定性,利用ARM靜態(tài)存儲控制機(jī)制,保證系統(tǒng)在無時延影響下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的智能控制。
針對分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的時延問題進(jìn)行了簡單描述,但并沒有對其它問題進(jìn)行深層次的研究,對于網(wǎng)絡(luò)接口問題并沒有進(jìn)行全面分析,也就無法確定時延出現(xiàn)的概率,針對未知參數(shù)求解還需利用很多方法來解決。
在較為復(fù)雜分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,為了滿足數(shù)據(jù)采集智能控制的靈活性和可靠性需求,需利用較為先進(jìn)的控制設(shè)備對分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行控制,保證智能控制技術(shù)研究可靠性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)在整個網(wǎng)絡(luò)中的有效傳輸。